潔凈室中蒸發冷卻利用研究

1 潔凈室蒸發冷卻技術

1.1潔凈室 蒸發冷卻技術簡介

所謂蒸發冷卻（Evaporative Cooling）就是利用水分的蒸發來降低空氣的干球溫度，這是一種早已為人所知的降溫方法。根據一次空氣和水是否接觸，蒸發冷卻可分為直接蒸發冷卻和間接蒸發冷卻。水在空氣中具有蒸發能力。由于蒸發冷卻過程是以水作為制冷劑的，不使用CFCs，所以對大氣環境無污染，而且可直接采用全新風，極大地改善了潔凈室內空氣品質。

1.2 蒸發冷卻技術的發展及其研究現狀

“空調之父”開利（Willis H.Carrier）博士受自然界降雨過程的啟發，提出噴水室人工微氣候設想。至此，蒸發冷卻技術的研究和應用已有近100年的發展歷史。在美國西南部和澳大利亞等地區，蒸發冷卻廣泛應用于工業（如紡織廠、制鞋廠）、農業（如養殖廠）、公共與民用建筑（如體育館、展覽廳）及家居、流動陳列箱等其他方面的空氣調節中。在美國，已成立“蒸發冷卻協會”（The EvaporativeCooling Institute,簡稱 ECI）。這一組織積極提倡應用蒸發冷卻技術，收集并出版蒸發冷卻系統的應用、安裝、運行與維護數據，發布規范、標準，肯定并獎勵對蒸發冷卻進行研究，以此來推廣蒸發冷卻設備在全世界的應用。在我國，將蒸發冷卻空調技術作為自然冷源替代人工冷源的研究早在 20 世紀 60年代已引起國內學者的關注。進入 21 世紀，西安工程大學以黃翔老師為領頭人的蒸發冷卻團隊對蒸發冷卻空調技術進行了大量的實驗研究和推廣應用工作，并取得了可喜的成績。目前，蒸發冷卻空調技術已經在新疆、甘肅、寧夏、青海等西北地區以及廣東、福建、浙江等沿海地區得到推廣應用。

2 蒸發冷卻中的數值模擬研究現狀

2.1 數值模擬技術

Fluent 是一種最常用的數值模擬技術，是用于計算流體流動和傳熱問題的程序，是目前市場占有率最大的 CFD 軟件包，在美國的市場占有率為60%。FLUENT 是用于模擬具有復雜外形的流體流動以及熱傳導的計算機程序。它提供了完全的網格靈活性，你可以使用非結構網格，例如二維三角形或四邊形網格、三維四面體/六面體/金字塔形網格來解決具有復雜外形的流動。甚至可以用混合型非結構網格。這種軟件允許你根據解的具體情況對網格進行修改（細化 / 粗化）。對于大梯度區域，如自由剪切層和邊界層，為了非常準確地預測流動，自適應網格是非常有用的。與結構網格和塊結構網格相比，這一特點很明顯地減少了產生“好”網格所需要的時間。對于給定精度，解適應細化方法使網格細化方法變得很簡單，并且減少了計算量。其原因在于網格細化僅限于那些需要更多網格的解域。FLUENT 是用 C語言寫的，因此具有很大的靈活性與能力。因此，動態內存分配，高效數據結構，靈活的解控制都是可能的。除此之外，為了高效的執行，交互的控制，以及靈活的適應各種機器與操作系統，FLUENT 使用 client/server 結構，因此它允許同時在用戶桌面工作站和強有力的服務器上分離地運行程序。在 FLUENT 中，解的計算與顯示可以通過交互界面，菜單界面來完成。利用fluent完成一個流體流動與傳熱問題的計算流程為：首先利用Gambit或者其他前處理器完成模擬對象幾何結構的建模以及計算網格的生成與劃分，然后將網格導入到 fluent中進行求解計算，最后對計算結果進行處理和分析。

2.2 蒸發冷卻中的數值模擬研究現狀

國內針對蒸發冷卻的理論研究起步較早，也很重視，其研究成果的理論深度和廣度處于國際領先水平，由于其涉及到流體力學傳熱學的蒸發相變和兩相流問題，無論從理論還是實驗角度進行研究都有一定的限制，而且可能需要昂貴的實驗費用。由于受到外界條件的干擾，實驗效果會隨著外界多種因素發生變化，實驗結果往往并不準確、穩定，而數值模擬不受外界條件干擾，模擬結果較穩定、成本低且能模擬較復雜或較理想的過程，對我們的實

際工程有一定的指導作用。

X.Zhao等對一種新型的逆流露點式蒸發冷卻器進行了數值研究。數值結果表明，冷卻效率與空氣通道的幾何尺寸、空氣流速有很大的相關性，而與淋水溫度相關性較小，吸入口空氣的流速應控制在0.3 m/s~0.5 m/s[3]。Riffat 等對多孔陶瓷熱管式間接蒸發冷卻器建立了數學模型，并進行了數值模擬和熱阻分析，將計算結果與實驗值進行了比較，模擬的結果能夠優化多孔陶瓷管式間接蒸發冷卻器設計[4 ]。武俊梅，黃翔、張華對直接蒸發冷卻器中的傳熱、傳質過程進行了數值模擬研究。提出了將蒸發產生的水蒸汽及伴隨而來的動量、和蒸發潛熱作為源項加入到空氣的連續性方程、動量方程、能量方程中，空氣的湍流模型中當量粘性系數采用經驗公式[5]。Yan Wei-Mon 對通道內降膜蒸發冷卻的對流傳熱傳質進行了數值研究。通過同時用數值方法研究液膜與空氣之間的質量、動量、能量控制方程，并考慮對空氣使用了低雷諾數 k-e 湍流模型。結果表明潛熱傳遞占整個熱量傳遞的主要部分，提高入口液膜溫度和降低液膜質量流率以及提高空氣流動的雷諾數，均有助于提高冷卻效率[6]。

同濟大學的楊建坤、張旭、徐琳對長5 m、寬4 m、高 3 m 的蒸發冷卻空調房間的氣流組織進行了數值模擬，主要針對房間的三維溫度場、速度場以及熱舒適指標進行了模擬。結果表明：蒸發冷卻空調器能夠有效地改善室內熱環境，使在通風和空氣調節方面滿足人體的熱舒適要求，并且在常規滿足最不利條件時空調要求的設計方案，適用于蒸發冷卻空調的設計[7]。湖南科技大學的段滿清以直接蒸發冷卻器為研究對象，通過模擬得出直接蒸發冷卻器工作性能的影響因素以及影響規律，所得出的結論如下：填料厚度和迎面風速能夠直接影響到直接蒸發冷卻器的工作性能，其中溫降、加濕量以及冷卻效率會隨著填料厚度的增加而增大，隨著迎面風速的提高而減小，而入口空氣干濕球溫度及相對濕度對直接蒸發冷卻器的冷卻效率無多大影響，但被處理的空氣如果其干濕球溫度差增加了，它的溫降和加濕量就會隨之增大[8]。西安工程大學的杜鵑從理論分析和數值模擬兩個方面對直接蒸發冷卻系統的傳熱傳質進行了研究，得出了直接蒸發冷卻空調機的熱工計算方法，并找出了直接蒸發冷卻空調機的冷卻效率與其影響因素之間的定量關系，為進一步優選填料和優化蒸發冷卻空調機的工作條件提供了依據，并通過模擬測試可以直觀的看出各影響因素對直接蒸發冷卻系統工作性能及被處理空氣狀態變化的影響規律，而且通過對西北四個城市使用直接蒸發冷卻空調機的溫降效果進行模擬測試并繪出測試曲線，這些都可以為實際工程提供參考和指導[9]。香港大學的Y.J.Dai和K.Sumathy對采用波紋紙作為填料的交叉流動直接蒸發冷卻器進行了理論研究。對直接蒸發冷卻器內向下流動的水膜和濕空氣間復雜的傳熱傳質過程進行了分析，提出了數學模型，該模型包括水膜和空氣及水－空氣界面間的控制方程。在不變的入口空氣狀態參數條件下，對氣流通道中空氣的溫度和含濕量的變化、系統尺寸的影響等分別進行了討論[10]。S.P.Fisenko 等人提出了自然通風冷卻塔中水的蒸發冷卻的數學模型。該模型包括兩個相關的邊界值問題，分別描述了冷卻塔噴淋區水滴的蒸發冷卻和填料層水膜的冷卻，并對這兩個邊界值問題進行了模擬[ 1 1 ]。Cracow科技大學的Wojciech Zalewski和Piotr Antoni

Gryglaszewski 對蒸發式流體冷卻器（evaporativefluid coolers）內部的傳熱傳質過程進行討論，提出了水與空氣逆流流動來冷卻管式盤管中流體的新數學模型。該模型包括四個常微分方程及其邊界條件，還有其他一些相關的代數方程[12]。Boris Halasz對蒸發冷卻設備進行研究，提出了一種通用無量綱數學模型，可以描述各種類型蒸發冷卻設備（冷卻塔、蒸發式冷凝器、蒸發式冷卻器、加濕盤管等）的傳熱傳質過程。該模型通過引入無量綱坐標及參數，并用直線型的空氣飽和線來代替實際的空氣飽和線，將微分方程組轉化成了純無量綱形式 。這樣，不僅整個過程的描述變得非常簡單，而且設備的整體性能也能通過幾個參數或圖表表示出來。該模型為蒸發冷卻設備的研究提供了一定的理論基礎。另外，Boris Halasz還專門針對冷卻塔提出了一種通用無量綱數學模型。[13]Bilal A.Qrueshi等對蒸發式冷卻器與蒸發式冷凝器的傳熱傳質過程建立了數學模型，模型中還包含了管外污垢的生長模型。并用實驗結果驗證了模型的正確性。利用污垢的生長模型預測了污垢熱阻對換熱器傳熱性能的影響。結果表明：隨著時間的推移，污垢使換熱器的換熱效率下降了66.7%[14]。

3 結語

鑒于蒸發冷卻的種種優點，國內外關于蒸發冷卻的研究及應用已經有一定的進展，但從總體研究現狀來看，目前還是以實驗研究與理論分析為主。由于其過程熱質交換較為復雜，理論研究還不夠完善。在國內，還缺乏真正從數值模擬的角度對蒸發冷卻的傳熱傳質過程進行的研究。而往往實驗研究由于外界因素的影響其實驗數據不夠穩定、準確，并且可能消耗昂貴的實驗費用，而數值模擬不受外界因素的影響，可以得到穩定的實驗數據并可直接繪出在各影響因素下的溫度、濕度、冷卻效率等變化曲線，可以直觀的為實際應用提供參考依據，同時省掉了很大一部分實驗費用。數值模擬具有費用低、周期短、信息量大，能夠充分反映幾何形狀的影響程度等特點。但目前數值模擬技術還沒有真正達到用于優化設計結構的程度，雖然幾何模型由簡單模型發展到趨于實際模型，流體流動分析計算精度逐步提高，國內外研究者在二維以及多維數值模擬計算蒸發冷卻工作過程方面也取得了很大的成績，但仍存在很多問題，如：三維的計算還很不完善，復雜邊界的處理很粗糙，對網格處理進行了簡化，模型比較簡單；一系列CFD軟件的模擬計算結果經試驗驗證的不多，并且如何運用這些軟件實現逆命題的研究尚未實現等等。所以我們必須不斷加強對數值模擬方面的學習與研究、拓寬研究范圍，為實際工程提供可靠的實驗數據，并起到一定的指導作用 。